主题：【原创】化工过程控制的实践 -- 润树

前一节讲到的MATLAB，功能很强，应用广泛，但必须在有了现成的过程数学模型以后，才能对化工过程中的一些控制系统进行动态仿真。而很多化工过程，要对它进行数学描述，不是件容易的事，往往要成千上万个方程才能胜任。当然，如果只是要研究某个输入变量（比如精馏塔的回流量）对某一个输出变量（比如某塔板温度）之间的关系，可以通过在工厂的实际测试来辨识，得到实验模型（empirical model)。但这样的模型，只适用于在进行测试时的工作条件。当工作条件变化以后，其模型可能就变化了。这里面既有非线性的因素，也有多变量之间相互影响的因素。因此，要获得比较接近现实的化工过程控制系统仿真，必须在过程静态和动态仿真的基础上，再加上控制系统来进行。目前，这样的商用软件，以Aspen Tech公司的HYSYS Dynamics 和Aspen Dynamics 比较有竞争力。在本系列1.2节中，我们已经简单介绍了这两个软件。它们都是在静态仿真的基础上，加入过程的动态特性后发展起来的，其间有好几年的滞后。

在对一个化工过程控制系统进行动态仿真时，首先要对过程进行静态仿真，使其计算达到物料和能量平衡的状态。以一个分离异丁醇和正丁醇的精馏塔为例，图2.2.1是它在静态仿真下的输入设定和输出结果。在转入动态仿真前，要对一些容器的体积进行设定，如图2.2.2所示。

图2.2.1 异丁醇精馏塔的静态仿真结果，by HYSIS

图2.2.2 异丁醇精馏塔的动态设定

另外，转入动态的前提是，过程必须能够保持物料平衡。对于一个精馏塔，就是要分别有塔顶和塔底的液位控制。仿真软件一般会预设这样的控制回路，比如由塔顶液体产品流量来控制回流罐的液位，由塔底产品流量来控制塔釜或再沸器的液位。当然，使用者可以根据自己的实际情况，对预设的控制回路进行修改。有些塔可能用再沸器的热量输入（如蒸汽流量）来控制塔底液位，由回流量来控制塔顶液位，等等。无论此物料平衡如何达成，通常情况下，一个精馏塔，会有两个自由度，即两个输入变量，可以被用来控制该塔的两个输出变量。比如，塔底再沸器可用来控制塔底温度或塔底产品纯度，而回流量可用来控制塔顶温度或塔顶产品纯度。图2.2.3是该塔的可能的许多种控制方案之一。

图2.2.3 异丁醇精馏塔的控制方案之一

既然是动态控制系统仿真，那末实际控制系统所有的一些基本单元，仿真系统也必须具备。图2.2.4显示了该过程各PID调节器的面板，组态和参数整定表格，以及对某些变量的跟踪显示。图2.2.5例出了更多的化工设备和控制元件。广义的多变量模型预估控制器，和Aspen的DMCPlus，现在也都可以用在这个动态仿真系统中。

图2.2.4 异丁醇精馏塔的控制器特性

图2.2.5 HYSYS更多的动态元件

上面这个例子是用HYSYS Dynamics来做的。类似的，我们再用Aspen Dynamics来对1.1中的乙烷和丙烷的分离塔以及它的控制系统进行动态仿真。该系统与HYSYS的区别是，必须先用Aspen Plus对过程进行静态仿真，设定设备的动态特性，然后将静态仿真的结果输出到一个文件里，再将该文件输入到Aspen Dynamics。这个过程如图2.2.6和2.2.7所示。

图2.2.6 乙烷分离塔的动态设定，by Aspen Dynamics

图2.2.7 乙烷分离塔的预设动态控制

由于有两个自由度，我们可以用再沸器热量输入来控制塔底乙烷的成分，而用回流量来控制塔顶丙烷的成分。图2.2.8显示这两个控制器在分别改变设定点时的响应。

图2.2.8 乙烷分离塔的控制响应

最后，我们来看一个稍微复杂一点的应用实例。回到1.2中的空气压缩机。由于市场需求增大，某厂在原来四台平行运行的化学反应器之外，又添加了一台反应器。但原有的空气压缩机已经处于满负荷状态，因此必须同时也添加一台压缩机。新的压缩机负荷有余，考虑将其一部分空气输送到原有的空气供给系统中，进一步提高产能。但是这样一来，两套系统就会相互关联，以下情况特别值得关注，那就是：当新的反应器（R-59）紧急停车，其空气压缩机（C-179）也将停车，这样其它四台反应器，特别是接受C-179供气的R-38，的空气流量都将受到干扰，使反应器空气流量和有机物流量的比值超过安全线，迫使该反应器也自动保护停车，造成生产损失。在这种情况下，动态仿真系统便成了一个非常有用的工具。图2.2.9是这个系统的仿真流程图。图2.2.10是在R-59和C-179停车后，R-38（红线）和R-27（蓝线）空气流量控制的响应。

图2.2.9两个空气压缩机互联的控制系统仿真

图2.2.10 R-59紧急停车时，R-38和R-27的控制响应